DE3943170A1

DE3943170A1 - Verstaerkerschaltung zur pulsbreiten-modulation

Info

Publication number: DE3943170A1
Application number: DE3943170A
Authority: DE
Inventors: Akio Tokumo; Masayuki Kato; Takeshi Sato; Tatsuzo Hasegawa
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1988-12-28
Filing date: 1989-12-28
Publication date: 1990-07-12
Anticipated expiration: 2009-12-29
Also published as: DE3943170C2; US4992749A; JPH0785525B2; JPH02262705A

Description

Grundlagen der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung für die Pulsbreiten-Modulation und insbesondere einen Verstärker, in dem zur Strom verstärkung eines Pulsbreitensignals für den Impulsverstärker MOS-Feldef fekt-Transistoren angewendet werden.

Es gibt der Pulsbreiten-Modulation dienende Verstärker, (die auch als PWM-Verstärker bekannt seien) und die ein hochfrequentes, dreieckförmiges Trägersignal mit einem analogen Signal, z. B. einem Audiosignal, zu einem Pulsbreitensignal modulieren und eine Leistungsverstärkung des Pulsbreiten signals herbeiführen; ferner wird das verstärkte Pulsbreitensignal durch eine Ausschaltung des Trägersignals mit einem Filter demoduliert, ehe es ei ner Last, z. B. einem Lautsprecher, zugeführt wird. Bezüglich der Leistungs verstärkung funktionieren jene Verstärker sehr gut, und somit werden sie zu nehmend für Audiogeräte von Kraftwagen benutzt.

In Fig. 1 ist für ein Beispiel eines bekannten PWM-Verstärkers eine Eingangsklemme 1 zum Empfang eines analogen Signals vorgesehen, das der in vertierten Eingangsklemme eines Komparators 2 zugeleitet wird, während der nichtinvertierten Eingangsklemme das Ausgangssignal eines hochfrequenten Dreieckswellen-Generators 3 (z. B. bei etwa 200 kHz) zugeführt wird. Dieses bewirkt somit, daß das Trägersignal mit dem analogen Signal zu einem Puls breitensignal moduliert wird. Nach dem Durchgang durch einen Treibverstärker 4 wird das Pulsbreitensignal von einem Pulsverstärker 5 (einem Stromverstär ker) verstärkt, der aus MOS-Feldeffekt-Leistungstransistoren mit n-Kanal besteht, und anschließend einer Filterschaltung zugeführt, die aus einer Spule 6 mit Joch und einem Kondensator 7 besteht, von der das Trägersignal herausgezogen wird. Durch das von der Filterschaltung ausgegebene Audiosi gnal wird eine Last, z. B. ein Lautsprecher 9, betrieben, die an einer Aus gangsklemme 8 angeschlossen ist.

Um den MOS-Feldeffekt-Transistor einzuschalten, muß, was eine bekannte Tatsache ist, seiner Torelektrode eine Spannung zugeführt werden, die höher als die an der Zugelektrode angelegte Spannung +B ist. Daher muß bei solch einem Gebilde wie oben, bei dem MOS-Feldeffekt-Transistor als Impulsver stärker 5 benutzt werden, der Treibverstärker 4 der vorhergehenden Stufe eine höhere Spannung als die Spannung +B ausgeben. Mit der Spannung +B als al leinigen Spannung wird die Treibspannung aus dem Treibverstärker 4 für einen einwandfreien Antrieb des Pulsverstärkers 5 zu niedrig.

Fig. 2 zeigt eine zur Lösung dieses Problems beabsichtigte Ausfüh rungsform, bei der die MOS-Feldeffekt-Transistoren mit n-Kanal zur Bildung eines Pulsverstärkers 12 in einer Gegentaktschaltung angeschlossen sind. Ein erster komplementärer Treibverstärker 10 besteht aus einem npn-Transi stor Q ₁ und einem pnp-Transistor Q ₂ und ein zweiter komplementärer Verstär ker 11 aus einem npn-Transistor Q ₃ und einem pnp-Transistor Q ₄. Die Aus gangsklemmen der beiden Treibverstärker 10 und 11 sind mit den Torelektroden der zugehörigen Leistungsfeldeffekt-Transistoren Q ₅ und Q ₆ verbunden, die den Pulsverstärker 12 bilden.

Eine aus einen Kondensator C ₁ und einer Diode D ₁ bestehende Schaltung 13 liefert eine Vorspannung an den vorausgehenden Treibverstärker 10, der ein Kurzschlußproblem mit der Treibspannung aufwirft.

Man sollte hervorheben, daß die Schaltung 13 in einer solchen Weise ausgebildet ist, daß die eine Klemme des Kondensators C ₁ mit der Ausgangs klemme des Pulsverstärkers 12 und die andere Klemme mit der die Spannung zu führenden Leitung des ersten Treibverstärkers 10 verbunden ist. Die die Spannung zuführende Leitung ist über die Diode D ₁ an der die Spannung +B liefernden Stromquelle angeschlossen.

Folglich wird dem oben erwähnten Kondensator C ₁ über die Diode D ₁ eine positive Spannung + aufgeprägt, wie in der Figur gezeigt ist. Das Einschal ten des ersten Leistungsfeldeffekt-Transistors Q ₅ bewirkt, daß die Ausgangs klemme des Pulsverstärkers 12 auf eine Spannung gebracht wird, die annähernd mir der Spannung +B übereinstimmt; daher wird dem Kollektor des Transistors Q ₁, der in dem ersten Treibverstärker 10 enthalten ist, ungefähr die doppel te Spannung +B auferlegt. Bei solch einem Pulsverstärker aus MOS-Feldeffekt- Transistoren mit n-Kanal kann daher das Kurzschlußproblem der Treibspannung in dem Treibverstärker umgangen werden.

Bei dem oben erläuterten Schaltungsaufbau bleiben noch die folgenden Probleme bestehen: Falls das der Eingangsklemme 1 in Fig. 1 zugeleitete analoge Signal so groß ist, daß der Modulationsfaktor der Pulsbreiten-Modu lation beim Komparator 2 100% übersteigt, wird das Ausgangssignal des Kom parators 2 kein Pulsbreitensignal, sondern ein Gleichstromsignal mit einem positiven oder negativen Maximalwert. Bei der Ausführungsform der Fig. 2 wird das Ausgangssignal der Treibverstärker 10 und 11 dementsprechend zu ei nem Gleichstromsignal mit einem gewissen Wert. Dies bedeutet, daß die Feld effekt-Transistoren Q ₅ und Q ₆, die den Pulsverstärker 12 bilden, an- oder ausgeschaltet bleiben; an der Ausgangsklemme des Pulsverstärkers 12 tritt also kein Pulssignal auf.

Der Kondensator C ₁ führt innerhalb einer Periode des dem Komparator 2 zugeleiteten Trägersignals eine Ladung oder Entladung aus. Wenn die Kapazi tät des Kondensators C ₁ groß gewählt ist, wird der erste Treibverstärker 10 infolge der in dem Kondensator C ₁ gespeicherten Ladungen mit einer Spannung versorgt, die höher als die Spannung +B der Stromquelle ist, sogar wenn der Modulationsfaktor während einer kurzen Periode die 100%-Marke übersteigt. Falls jedoch die Kapazität des Kondensators C ₁ zu groß ist, wird dem Konden sator C ₁ ein überschüssiger Ladestrom aus dem Pulsverstärker 12 synchron mit dem Trägersignal zugleitet, wodurch das Ausgangssignal des Pulverstärkers 12 und folglich das demodulierte Audiosignal verzerrt werden, das ausgesen det wird. Deshalb sollte die Kapazität C ₁ keinen sehr großen Wert besitzen; deshalb wird mit dem analogen Signal, das bewirkt, daß der Modulationsfaktor 100% übersteigt, der vom Pulsverstärker 12 abgegebene Impuls abgebrochen und der Kondensator C ₁ in kurzer Zeit völlig entladen.

Folglich stellt die der Vorspannung dienende Schaltung 13 aus dem Kon densator C ₁ und der Diode D ₁ ihre Tätigkeit ein, wodurch der PWM-Verstärker in den Zustand eines abnormalen Ausgangssignals gelangt.

Übersicht über die Erfindung

Die vorliegende Erfindung beruht auf einer Betrachtung der oben erwähn ten Probleme bei den PWM-Verstärkern. Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Zustand abnormaler Ausgangssignale von einem PWM-Verstär ker fernzuhalten, selbst wenn die Eingangssignale so groß werden, daß der Modulationsfaktor den Wert von 100% übersteigt.

Ein Verstärker für die Pulsbreiten-Modulation ist gemäß der Erfindung mit einer ersten der Vorspannung dienenden Schaltung, die aus dem Ausgangs signal des Pulsverstärkers der Treibschaltung eine Spannung liefert, und mit einer zweiten Vorspannungsschaltung versehen, die der obigen Treibschal tung aus den demodulierten Ausgangssignalen, die über eine Filterschaltung erhalten worden sind, eine weitere Vorspannung liefert.

Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hervor, die in den Zeichnungen anschaulich gemacht ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das den grundlegenden Aufbau eines be kannten PWM-Verstärkers zeigt;

Fig. 2 ist ein Bild der Verdrahtung für ein Ausführungsbeispiel eines bekannten PWM-Verstärkers;

Fig. 3 ist ein Bild der Verdrahtung und zeigt eine erste Ausführungs form der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ist ein Bild der Verdrahtung und zeigt eine zweite Ausführungs form der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Unten sei unter Bezugnahme auf Fig. 3 eine erste Ausführungsform einer Pulsverstärkerschaltung der vorliegenden Erfindung erläutert.

Die Schaltung der Fig. 3 enthält wie auch die der Fig. 1 einen Puls verstärker 12, dessen MOS-Feldeffekt-Transistoren mit n-Kanal im Gegentakt betrieben werden. Diesselben in den beiden Figuren vorkommenden Bezugszei chen bezeichnen dieselben Teile, für die sich Erläuterungen erübrigen.

Die Schaltung der Fig. 3 ist mit einem zweiten der Vorspannung dienen den Stromkreis 14 aus einem Kondensator C ₂, Dioden D ₂ und D ₃ und einem Wi derstand R ₁ versehen, der zu der ersten Schaltung 13 hinzugefügt ist.

Im einzelnen ist die eine Klemme des obigen Kondensators C ₂ mit der Ausgangsklemme 8 für die demodulierten Signale verbunden, die an der Filter schaltung aus der Spule 6 mit Joch und dem Kondensator 7 angeschlossen ist, während die andere Klemme über die Diode D ₂ an der spannungsführenden Leitung des ersten Treibverstärkers 10 anliegt. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß der Kondensator C ₂ von der Stromquelle mit der Spannung +B aus über die Diode D ₃ und den Widerstand R ₁ eine positive Spannung + erhält.

Sobald bei der oben erwähnten Zusammenstellung das demodulierte Aus gangssignal des PWM-Verstärkers, das an der Ausgangsklemme 8 erscheint, z. B. in die positive Richtung ausschlägt, steigt das Potential an der einen Klem me des Kondensators C ₂ an. Dieses bedeutet, daß sich der Potentialanstieg zu dem positiven Potential addiert, was auf die gespeicherten Ladungen an der anderen Klemme des Kondensators C ₂ zurückzuführen ist.

Somit wird die sich an der anderen Klemme des Kondensators C ₂ ergebende positive Spannung ≈ +1,5B über die Diode D ₂ der spannungsführenden Leitung des ersten Treibverstärkers 10 zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt sind die Dio den D ₁ und D ₂ wegen ihrer umgekehrten Vorspannungen abgeschaltet.

Wenn der erste Feldeffekt-Transistor Q ₅ eingeschaltet wird, ist der er ste Treibverstärker 10 einem Kurzschlußproblem der Treibspannung gegenüber gestellt. Sobald bei der obigen Zusammenstellung der erste Feldeffekt-Tran sistor Q ₅ eingeschaltet wird, liefert der zweite Vorspannung dienende Stromkreis 14 ebenfalls eine Vorspannung an die spannungsführende Leitung des ersten Treibverstärkers 10.

Selbst wenn ein analoges Signal den Modulationsfaktor über 100% hinaus ansteigen läßt und dadurch die Funktion der ersten der Vorspannung dienen den Schaltung 13 unterbricht, weist die hier vorliegende Schaltung keinen abnormalen Zustand ihres Ausgangssignals auf, da dank der Arbeitsweise des zweiten der Vorspannung dienenden Stromkreises 14 dem ersten Treibverstärker 10 ausreichend Spannung zugeführt wird.

Gemäß dieser Ausführungsform arbeitet die erste der Vorspannung dienen de Schaltung 13 in dem Modulationsbereich von 0 bis 100% und der zweite der Vorspannung dienende Stromkreis 14 in dem Modulationsbereich von mehre ren Prozenten bis über 100% hinaus.

Da der Kondensator C ₁ über die Diode D ₂ mit einer Spannung, die größer als die Spannung +B ist, geladen werden kann, leidet die Ausführungsform der Fig. 3 noch unter den folgenden Schwierigkeiten: Erstens kann die zwi schen der Tor- und Quellenelektrode des Feldeffekt-Transistors Q ₅ angelegte Spannung die zulässige Spannung an der Torelektrode der Feldeffekt-Transi storen (in typischer Weise etwa 20 V) überschreiten, wodurch der Feldeffekt- Transistor Q ₅ geschädigt wird. Zweitens kann das demodulierte Ausgangssignal eine gewisse Verzerrung erfahren, da sich die Treibspannung, das heißt, die Spannung an der Torelektrode des Feldeffekt-Transistors Q ₅ mit dem analogen Signal ändert.

Um die obigen Probleme zu lösen, ist in Fig. 4 eine zweite Ausfüh rungsform der Erfindung gezeigt; diese zeichnet sich durch den Zusatz einer Diode D ₄ zu der Zusammenstellung der ersten Ausführungsform aus. Da die Dio de D ₄ vorhanden ist, wird der Kondensator C ₁ nicht über die Diode D ₂, son dern nur über die Diode D ₁ geladen. In Abhängigkeit von der Beziehung zwi schen den Spannungen an den Klemmen der Kondensatoren C ₁ und C ₂ wird die stromführende Leitung des Treibverstärkers 10 entweder über die Diode D ₂ oder die Diode D ₄ mit Spannung versorgt. Da die Klemmenspannungen der Konden satoren C ₁ und C ₂ kleiner als die Spannung +2b ist bzw. annähernd +1,5B be trägt, wird die Spannung zwischen der Tor- und Quellenelektrode des Feldef fekt-Transistors Q ₅ innerhalb seiner zuverlässigen Spannung an der Torelektrode gehalten. Da die Spannung an dem Treibverstärker 10 aufgebaut wird, können die Verzerrungseigenschaften des analogen Ausgangssignals keinesfalls schlechter werden.

Wie aus der obigen Beschreibung klar hervorgeht, kann die Arbeitsweise ohne den sonst notwendigen Zusatz eines Begrenzers stabilisiert werden, um den Modulationsfaktor an der Eingangsstufe auf unter 100% zu beschränken.

Aus diesem Grund kann bei Anwendung des obigen Merkmals ein PWM-Ver stärker ebenfalls als äußerst wirkungsvoller Leistungsverstärker benutzt werden.

Obgleich in der obigen Erläuterung eine höhere Vorspannung als die Quellenspannung benötigt wird, kann dies durch eine Umkehrung der Polung an der Diode und am Kondenator bewerkstelligt werden, falls eine Vorspannung unterhalb des Erdpotential erforderlich ist. Bei der obigen Ausführungsform werden in der Ausgangsstufe MOS-Feldeffekt-Transistoren mit n-Kanal in ei ner Gegentaktschaltung benutzt; es ist klar, daß keine Beschränkung hierauf gegeben ist. Ferner können die den Treibverstärker bildenden Transistoren in einer Darlingtonschaltung sowie in einer komplementären Verbindung be rieben werden.

Zahlreiche stark unterschiedliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können konstruiert werden, ohne den Rahmen und Umfang der vorlie genden Erfindung zu verlassen. Es ist zu verstehen, daß die vorliegende Er findung nicht auf die speziellen Ausführungsformen begrenzt ist, die in der Beschreibung wiedergegeben sind, wenn man von der Definition in den ange hängten Ansprüchen absieht.

Claims

1. Verstärkerschaltung zur Pulsbreiten-Modulation mit Treibschal tungen, mit einem Leistungsverstärker zur Aufnahme von Eingangssignalen aus den Treibschaltungen und mit einem demodulierenden Filter, das an der Aus gangsklemme des Leitungsverstärkers angeschlossen ist, dadurch gekennzeich net, daß zwei der Vorspannung dienende Schaltungen zur Lieferung einer Ver sorgungsspannung an die eine Treibschaltung vorgesehen sind, daß die eine der Vorspannung dienende Schaltung zwischen der Ausgangsklemme des Lei stungsverstärkers und der einen Treibschaltung und die andere der Vorspan nung dienende Schaltung zwischen der Ausgangsklemme des demodulierenden Fil ters und der einen Treibschaltung angeschlossen ist.

2. Verstärkerschaltung zur Pulsbreiten-Modulation des Anspruches 1, bei der die zweite der Vorspannung dienende Schaltung einen Speicherkonsa tor, dessen eine Klemme mit der Ausgangsklemme des demodulierenden Filters verbunden ist, eine Diode, deren eine Klemme mit der einen Treibschaltung und deren andere Klemme mit der anderen Klemme des Speicherkondensators verbunden ist, und eine Reihenschaltung einer zweiten Diode und eines Widerstandes enthält, der zwischen der anderen Klemme der ersten Diode und der stromführen den Klemme des Leitungsverstärkers angeschlossen ist.

3. Verstärkerschaltung zur Pulsbreiten-Modulation des Anspruches 2, bei der ferner eine dritte Diode zwischen einer Ausgangsklemme der ersten der Vorspannung dienenden Schaltung und dem einen Ende der Diode zur Verhin derung eines Stromflusses von der zweiten zur ersten der der Vorspannung dienenden Schaltung vorgesehen ist.